開關電源的電路組成及其設計

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開關電源的電路組成

開關電源的主要電路是由輸入電磁干擾濾波器(EMI)、整流濾波電路、功率變換電路、PWM控制器電路、輸出整流濾波電路組成。輔助電路有輸入過欠壓保護電路、輸出過欠壓保護電路、輸出過流保護電路、輸出短路保護電路等。

開關電源的電路組成方框圖如下

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輸入電路的原理以及常見的電路

(1) AC 輸入整流濾波電路原理：

①防雷電路：當有雷擊，產生高壓經電網導入電源時，由MOV1、MOV2、MOV3：F1、F2、F3、FDG1 組成的電路進行保護。當加在壓敏電阻兩端的電壓超過其工作電壓時，其阻值降低，使高壓能量消耗在壓敏電阻上，若電流過大，F1、F2、F3 會燒毀保護后級電路。

②輸入濾波電路：C1、L1、C2、C3組成的雙π型濾波網絡主要是對輸入電源的電磁噪聲及雜波信號進行抑制，防止對電源干擾，同時也防止電源本身產生的高頻雜波對電網干擾。當電源開啟瞬間，要對 C5充電，由于瞬間電流大，加RT1(熱敏電阻)就能有效的防止浪涌電流。因瞬時能量全消耗在RT1電阻上，一定時間后溫度升高后RT1阻值減小(RT1是負溫系數元件)，這時它消耗的能量非常小，后級電路可正常工作。

③整流濾波電路：交流電壓經BRG1整流后，經C5濾波后得到較為純凈的直流電壓。若C5容量變小，輸出的交流紋波將增大。

(2) DC 輸入濾波電路原理：

①輸入濾波電路：C1、L1、C2組成的雙π型濾波網絡主要是對輸入電源的電磁噪聲及雜波信號進行抑制，防止對電源干擾，同時也防止電源本身產生的高頻雜波對電網干擾。C3、C4 為安規(guī)電容，L2、L3為差模電感。

② R1、R2、R3、Z1、C6、Q1、Z2、R4、R5、Q2、RT1、C7組成抗浪涌電路。在起機的瞬間，由于 C6的存在Q2不導通，電流經RT1構成回路。當C6上的電壓充至Z1的穩(wěn)壓值時Q2導通。如果C8漏電或后級電路短路現象，在起機的瞬間電流在RT1上產生的壓降增大，Q1導通使 Q2沒有柵極電壓不導通，RT1將會在很短的時間燒毀，以保護后級電路。

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功率變換電路

(1) MOS管的工作原理：

目前應用最廣泛的絕緣柵場效應管是MOSFET(MOS管)，是利用半導體表面的電聲效應進行工作的。也稱為表面場效應器件。由于它的柵極處于不導電狀態(tài)，所以輸入電阻可以大大提高，最高可達105歐姆，MOS管是利用柵源電壓的大小，來改變半導體表面感生電荷的多少，從而控制漏極電流的大小。

(2) 常見的原理圖：

(3)工作原理：

R4、C3、R5、R6、C4、D1、D2組成緩沖器，和開關MOS管并接，使開關管電壓應力減少，EMI減少，不發(fā)生二次擊穿。在開關管Q1關斷時，變壓器的原邊線圈易產生尖峰電壓和尖峰電流，這些元件組合一起，能很好地吸收尖峰電壓和電流。從R3測得的電流峰值信號參與當前工作周波的占空比控制，因此是當前工作周波的電流限制。

當R5上的電壓達到1V時，UC3842停止工作，開關管Q1立即關斷。R1和Q1中的結電容CGS、CGD一起組成RC網絡，電容的充放電直接影響著開關管的開關速度。R1過小，易引起振蕩，電磁干擾也會很大;R1過大，會降低開關管的開關速度。Z1通常將MOS管的GS電壓限制在18V以下，從而保護了MOS管。

Q1的柵極受控電壓為鋸形波，當其占空比越大時，Q1導通時間越長，變壓器所儲存的能量也就越多;當Q1截止時，變壓器通過D1、D2、R5、R4、C3釋放能量，同時也達到了磁場復位的目的，為變壓器的下一次存儲、傳遞能量做好了準備。IC根據輸出電壓和電流時刻調整著⑥腳鋸形波占空比的大小，從而穩(wěn)定了整機的輸出電流和電壓。C4和R6為尖峰電壓吸收回路。

(4)推挽式功率變換電路：

Q1和Q2將輪流導通。

(5)有驅動變壓器的功率變換電路：

T2為驅動變壓器，T1為開關變壓器，TR1為電流環(huán)。

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輸出整流濾波電路

(1) 正激式整流電路

T1為開關變壓器，其初極和次極的相位同相。D1為整流二極管，D2為續(xù)流二極管，R1、C1、R2、C2為削尖峰電路。L1為續(xù)流電感，C4、L2、C5組成π型濾波器。

(2) 反激式整流電路：

T1為開關變壓器，其初極和次極的相位相反。D1為整流二極管，R1、C1為削尖峰電路。L1為續(xù)流電感，R2為假負載，C4、L2、C5組成π型濾波器。

(3) 同步整流電路：

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穩(wěn)壓環(huán)路原理

(1) 反饋電路原理圖：

(2)工作原理：

當輸出 U0升高，經取樣電阻R7、R8、R10、VR1分壓后，U1③腳電壓升高，當其超過U1②腳基準電壓后 U1①腳輸出高電平，使Q1導通，光耦OT1發(fā)光二極管發(fā)光，光電三極管導通，UC3842①腳電位相應變低，從而改變U1⑥腳輸出占空比減小，U0降低。當輸出 U0降低時，U1③腳電壓降低，當其低過U1②腳基準電壓后U1①腳輸出低電平，Q1不導通，光耦OT1發(fā)光二極管不發(fā)光，光電三極管不導通，UC3842①腳電位升高，從而改變U1⑥腳輸出占空比增大，U0降低。周而復始，從而使輸出電壓保持穩(wěn)定。調節(jié)VR1可改變輸出電壓值。

反饋環(huán)路是影響開關電源穩(wěn)定性的重要電路。如反饋電阻電容錯、漏、虛焊等，會產生自激振蕩，故障現象為：波形異常，空、滿載振蕩，輸出電壓不穩(wěn)定等。

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短路保護電路

(1)在輸出端短路的情況下，PWM控制電路能夠把輸出電流限制在一個安全范圍內，它可以用多種方法來實現限流電路，當功率限流在短路時不起作用時，只有另增設一部分電路。

(2)短路保護電路通常有兩種，下圖是小功率短路保護電路，其原理簡述如下：

當輸出電路短路，輸出電壓消失，光耦OT1不導通，UC3842①腳電壓上升至5V左右，R1與R2的分壓超過TL431基準，使之導通，UC3842⑦腳VCC電位被拉低，IC停止工作。UC3842停止工作后①腳電位消失，TL431不導通UC3842⑦腳電位上升，UC3842重新啟動，周而復始。當短路現象消失后，電路可以自動恢復成正常工作狀態(tài)。

(3)下圖是中功率短路保護電路，其原理簡述如下：

當輸出短路，UC3842①腳電壓上升,U1 ③腳電位高于②腳時，比較器翻轉①腳輸出高電位，給 C1充電，當C1兩端電壓超過⑤腳基準電壓時 U1⑦腳輸出低電位，UC3842①腳低于1V，UCC3842 停止工作，輸出電壓為0V，周而復始，當短路消失后電路正常工作。R2、C1是充放電時間常數，阻值不對時短路保護不起作用。

(4) 下圖是常見的限流、短路保護電路。其工作原理簡述如下：

當輸出電路短路或過流，變壓器原邊電流增大，R3 兩端電壓降增大，③腳電壓升高，UC3842⑥腳輸出占空比逐漸增大，③腳電壓超過1V時，UC3842關閉無輸出。

(5)下圖是用電流互感器取樣電流的保護電路，有著功耗小，但成本高和電路較為復雜，其工作原理簡述如下：

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輸出端限流保護

上圖是常見的輸出端限流保護電路，其工作原理簡述如上圖：當輸出電流過大時，RS(錳銅絲)兩端電壓上升，U1③腳電壓高于②腳基準電壓，U1①腳輸出高電壓，Q1導通，光耦發(fā)生光電效應，UC3842①腳電壓降低，輸出電壓降低，從而達到輸出過載限流的目的。

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輸出過壓保護電路的原理

輸出過壓保護電路的作用是：當輸出電壓超過設計值時，把輸出電壓限定在一安全值的范圍內。當開關電源內部穩(wěn)壓環(huán)路出現故障或者由于用戶操作不當引起輸出過壓現象時，過壓保護電路進行保護以防止損壞后級用電設備。應用最為普遍的過壓保護電路有如下幾種：

(1)可控硅觸發(fā)保護電路：

如上圖，當Uo1輸出升高，穩(wěn)壓管(Z3)擊穿導通，可控硅(SCR1)的控制端得到觸發(fā)電壓，因此可控硅導通。Uo2電壓對地短路，過流保護電路或短路保護電路就會工作，停止整個電源電路的工作。當輸出過壓現象排除，可控硅的控制端觸發(fā)電壓通過R對地泄放，可控硅恢復斷開狀態(tài)。

(2)光電耦合保護電路：

如上圖，當Uo有過壓現象時，穩(wěn)壓管擊穿導通，經光耦(OT2)R6到地產生電流流過，光電耦合器的發(fā)光二極管發(fā)光，從而使光電耦合器的光敏三極管導通。Q1基極的電導通， 3842的③腳電降低，使IC關閉，停止整個電源的工作，Uo為零，周而復始。

(3)輸出限壓保護電路：

輸出限壓保護電路如下圖，當輸出電壓升高，穩(wěn)壓管導通光耦導通，Q1基極有驅動電壓而導通，UC3842③電壓升高，輸出降低，穩(wěn)壓管不導通，UC3842③電壓降低，輸出電壓升高。周而復始，輸出電壓將穩(wěn)定在一范圍內(取決于穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值)。